非致冷紅外焦平面的讀出電路及測試系統(tǒng)研究.pdf

1、紅外焦平面陣列(IRFPA)是紅外系統(tǒng)及熱成像器件的關鍵部件，在軍事及民用領域得到了廣泛應用，西方各發(fā)達國家長期以來一直很重視紅外焦平面陣列的開發(fā)和研制工作。微測輻射熱計型的非致冷焦平面陣列(UFPA)是當前紅外焦平面發(fā)展的重要方向之一，其結構一般包括兩個部分：紅外探測器陣列和讀出電路(ROIC)?；パa金屬-氧化物-半導體(CMOS)讀出電路是讀出電路發(fā)展的主流方向，也是紅外焦平面陣列的關鍵技術之一，其性能影響甚至是決定著整個紅外焦平面

2、陣列乃至整個紅外成像系統(tǒng)的性能。相對于西方幾個主要發(fā)達國家來說，同非致冷紅外焦平面陣列的其他技術一樣，我國的紅外焦平面CMOS讀出電路技術以及包括測試CMOS讀出電路性能的紅外焦平面測試技術起步較晚，在上世紀九十年代才開始涉足。鑒于非致冷紅外焦平面在軍事應用方面的重要意義，我國迫切需要開發(fā)出擁有完全自主知識產(chǎn)權的紅外焦平面陣列，應加快非致冷紅外焦平面CMOS讀出電路及其測試等各項關鍵技術(材料、讀出電路、器件工藝、測試和信號處理等)研究

3、的步伐。本文著重從微測輻射熱計型非致冷焦平面的讀出電路及其測試技術兩方面開展理論和試驗研究。主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴分析了CMOS讀出電路的相關技術，深入分析了CMOS讀出電路的噪聲特點，并比較了幾種基本讀出電路結構，主要包括自積分(SI)、直接注入(DI)、源級跟隨器(SFD)和電容反饋負導放大器(CTIA)讀出結構。其中DI 讀出結構電路簡單，光電流注入效益高，但電路均勻性較差，KTC 噪聲較大；CTIA 讀出結構電路具備偏

4、置穩(wěn)定、高線性、噪聲低，均勻性好、動態(tài)范圍大等其他結構難以具備的優(yōu)點，但電路結構復雜，功耗大。
　　 ⑵提出了一種具有測輻射熱計電流直接注入(BCDI)和電容反饋負導放大器CTIA相結合的CMOS讀出電路結構，該讀出結構具有DI和CTIA 讀出結構電路的各自優(yōu)點，同時克服了兩種讀出結構電路各自固有的缺點，適合大規(guī)模紅外焦平面?；谖覀兲岢龅淖x出電路結構，一個完整焦平面CMOS讀出電路被設計出來，設計出的讀出電路具有較強抑噪能力的

5、相關雙采樣(CDS)電路。CMOS讀出電路各部分的仿真及測試表明：設計的讀出電路具有低噪聲、低功耗及線性動態(tài)輸出范圍大等特點。
　　 ⑶設計出了一個測試焦平面性能的低成本模塊化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括黑體源、紅外光學系統(tǒng)和偏壓控制等模塊，指出了焦平面待測的特征參數(shù)并分析了測試系統(tǒng)各模塊的功能要求。該測試系統(tǒng)具有可拓展性、在線配置和兼容性等特點。對搭建的一個實際測試系統(tǒng)進行了定標試驗，定標結果表明設計的測試系統(tǒng)具有較高的可靠性，能夠滿